气氮循环调温方法及系统与流程

本发明属于调温控制技术领域，涉及一种气氮循环调温方法及系统。

背景技术：

为确保航天器发射、在轨运行以及回收各个阶段的可靠性、安全性，几乎所有航天产品均需通过热真空试验设备来模拟外太空的真空和高低温环境，对其进行热真空试验。根据试验目的不同，对热真空试验设备的温度区间要求亦不相同。对于试验所需的高低温环境，一般通过热沉调温系统实现，即将满足温度要求的载冷介质直接通入热沉，通过各种控温手段调节热沉温度，以满足试验需求。

目前空间环境模拟设备的温度控制根据载冷介质的不同，普遍采用酒精(或导热油)调温系统以及气氮/液氮调温系统两大类调温系统，其中，酒精或导热油调温系统采用复叠机械制冷机组提供冷源，系统调温范围在-70℃～+150℃之间，调温范围窄，整体造价较高。

目前较为先进的气氮/液氮调温系统主要包括动力系统、加热系统、控制系统和冷却系统，动力系统主要设备有液氮储槽、储气罐和高低温风机或氮气压缩机，为调温系统提供规定流量的氮气；加热系统一般选取满足功率和温度要求的电加热器对氮气进行加热；控制系统对调温系统进行温度和压力控制；冷却系统根据冷却方法的不同，可以分为液氮储槽式冷却系统和液氮喷射式冷却系统，前者是使用液氮贮槽式冷却器作为冷却设备，后者是通过液氮喷射器向循环氮气中喷入液氮对氮气进行降温。该系统以廉价的液氮作为冷源，可以满足热沉温度在-175℃～+150℃宽温区范围内连续可调，整体造价低，但存在液氮消耗量大、流程复杂、结构庞大的缺点。

技术实现要素：

本发明针对现有气氮调温系统液氮消耗量大、流程复杂、结构庞大的技术问题，提供一种液氮消耗量小、流程结构简单、造价低廉、运行成本低，且能在-175℃～+150℃较宽温度范围内连续控温的气氮循环调温方法及系统。

一种气氮循环调温系统，设有热沉、气氮循环管路、液氮管路、换热器，气氮循环管路上设有循环风机、加热器、换热器，气氮循环管路上还设有压力调节装置，换热器与液氮管路连接，液氮管路上设有冷源和冷源回收装置。

优选的，气氮循环管路上设有加热支路、冷却支路、调压支路，加热支路上设有加热器，冷却支路上设有换热器，调压支路上设有压力调节装置和截止阀，气氮循环管路上设有三通调节阀，三通调节阀分别连接加热支路和冷却支路。

优选的，调压支路上还设有排空管路，排空管路上设有排空截止阀。

优选的，冷源为液氮，冷源回收装置为液氮回收装置，在液氮和换热器之间的液氮管路上设有液氮调节阀，换热器采用板式换热器。

优选的，热沉采用不锈钢夹层式结构，循环风机采用耐高低温的离心式循环风机，离心式循环风机采用变频电机。

优选的，气氮循环管路上还设有用于超压排气的安全阀。

优选的，加热器上设有预防干烧的温度传感器。

一种气氮循环调温方法，具体步骤为：

(1)当热沉温度需要升高时，调节三通调节阀将加热支路与气氮循环管路连通，开启加热器，气氮循环管路中气氮温度在加热器的作用下升高，在循环风机的作用下，温度升高后的气氮进入热沉，与热沉进行热交换，使热沉温度升高；

(2)当热沉温度需要降低时，调节三通调节阀将冷却支路与气氮循环管路连通，同时打开液氮调节阀，在换热器中气氮与液氮进行热交换，气氮温度降低，在循环风机的作用下，温度降低后的气氮进入热沉，与热沉进行热交换，使热沉温度降低。

优选的，气氮循环调温方法设有恒定压力模式和恒定密度模式：系统在高低温运行过程中，通过压力调节装置调节气氮循环管路中压力，维持循环氮气压力恒定，调整循环风机转速使系统在不同温度下维持确定的质量流量，实现恒定压力模式调温；维持系统循环氮气密度恒定，通过调节循环风机的转速使气氮循环管路中气氮维持确定的质量流量，实现恒定密度模式调温。

优选的，对于恒定压力模式，当系统温度升高时，循环氮气通过排空管路上的排空截止阀排出，以维持系统内氮气的压力；当系统温度降低时，压力调节装置通过调压支路上的截止阀向气氮循环管路中补充氮气，以维持系统内氮气的压力，进而实现恒定压力模式调温。

本发明具有以下有益效果：

(1)由于采用耐高低温离心式循环风机，高低温循环氮气均可直接进入风机，大大简化了调温系统结构和调温流程，降低了制造成本；

(2)热沉采用不锈钢夹层式结构，其热容约为普通管翅结构热沉的60％，换热面积约为管翅热沉的3倍，循环氮气可充满热沉并在夹层空间流动，从而实现热沉的快速升降温并极大地提高热沉温度分布的均匀性；

(3)液氮与循环氮气在板式换热器中进行热交换，换热效率高，热交换后多余的液氮进入液氮回收装置，可重复利用，降低了液氮消耗量，节约了系统运行成本；

(4)调温系统可在恒定压力模式和恒定密度模式两种模式下运行，在恒定密度模式下运行时，提高循环氮气的密度可提高系统的换热能力，提高换热效率；在恒定压力模式运行时，低温下氮气密度更大，可大幅度降低风机的转速，从而减小摩擦热，节约液氮消耗量。

附图说明

图1为本发明实施例流程图。

图中符号说明：

1.热沉；2.循环风机；3.加热器；4.换热器；5.液氮调节阀；6.冷源；7.安全阀；8.截止阀；9.三通调节阀；10.压力调节装置；11.液氮回收装置；12.排空截止阀；13.气氮循环管路；14.加热支路；15.冷却支路；16.调压支路；17.排空管路；18.液氮管路。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。

一种气氮循环调温系统，如图1所示，设有热沉1、气氮循环管路13、液氮管路18、换热器4，气氮循环管路13上设有循环风机2、加热器3、换热器4，气氮循环管路13上还设有压力调节装置10，压力调节装置10可以采用储气柜或钢瓶，用于为系统提供确定压力的循环氮气。换热器4还与液氮管路18连接，液氮管路18上设有冷源6和液氮回收装置11，冷源6采用液氮，在液氮冷源和换热器4之间的液氮管路18上设有液氮调节阀5，换热器4采用板式换热器，板式换热器的制冷功率随液氮供应量的不同而不同，系统运行过程中液氮供应量设置在80kg/h～200kg/h，系统运行过程根据实际工况确定液氮供应量。

气氮循环管路13上设有加热支路14、冷却支路15、调压支路16，加热支路14上设有加热器3，冷却支路15上设有换热器4，调压支路16上设有压力调节装置10和截止阀8，调压支路16上还设有排空管路17，排空管路17上设有排空截止阀12，气氮循环管路13上设有三通调节阀9，三通调节阀9分别连接加热支路14和冷却支路15，利用三通调节阀9对循环氮气加热或冷却部分的流量进行分配，从而调节系统冷量和热量的输入量，从而实现热沉1控温。

热沉1采用不锈钢夹层式结构，其热容约为普通管翅结构热沉的60％，换热面积约为管翅热沉的3倍，循环氮气可充满热沉并在夹层空间流动，从而实现热沉1的快速升降温并极大地提高热沉温度分布的均匀性；循环风机2为系统动力源，循环风机2采用可在-180℃～+180℃温度区间连续工作的耐高低温循环风机，高低温循环氮气均可直接进入风机，大大简化了调温系统结构和调温流程，降低了制造成本；离心式循环风机采用变频电机，保证了系统中载冷介质可维持确定的质量流量，离心式循环风机采用整体密封方式且工作压力不大于1mpa，使得系统的循环氮气可采用较高的质量流量或密度运行，进一步强化了换热能力。

气氮循环管路13上还设有用于超压排气的安全阀7，加热器3上设有预防干烧的温度传感器，提高系统安全性能。

一种气氮循环调温方法，具体步骤为：

(1)当热沉1温度需要升高时，调节三通调节阀9将加热支路14与气氮循环管路13连通，开启加热器3，气氮循环管路13中气氮温度在加热器3的作用下升高，在循环风机2的作用下，温度升高后的气氮进入热沉1，与热沉1进行热交换，使热沉1温度升高；

(2)当热沉1温度需要降低时，调节三通调节阀9将冷却支路15与气氮循环管路13连通，同时打开用于自动控制液氮流量的液氮调节阀5，在换热器4中气氮与液氮进行热交换，气氮温度降低，在循环风机2的作用下，温度降低后的气氮进入热沉1，与热沉1进行热交换，使热沉1温度降低，液氮与循环氮气在板式换热器中进行热交换，换热效率高，热交换后多余的液氮进入液氮回收装置11，可重复利用，降低了液氮消耗量，节约了系统运行成本。

气氮循环调温系统在-175℃～+150℃宽温区范围内可利用两种模式运行：

其一是：恒定压力模式。系统在高低温运行过程中，通过压力调节装置10调节气氮循环管路13中压力，维持循环氮气压力恒定，调整高低温离心式风机转速使系统在不同温度下维持确定的质量流量，即恒定压力模式。对于恒定压力模式，维持循环氮气压力恒定，循环氮气密度随温度高低而减小或增大，氮气压力一般确定为2～7kgf/cm²(abs)。当系统温度升高时，循环氮气通过排空管路17上的排空截止阀12排出或进入储气柜，以维持系统内氮气的压力；当系统温度降低时，压力调节装置10通过调压支路16上的截止阀8向气氮循环管路13中补充氮气，以维持系统内氮气的压力，进而实现恒定压力模式调温。

其二是：恒定密度模式。系统在高低温运行过程中，维持系统循环氮气密度恒定，调整高低温离心式风机转速使系统在不同温度下维持确定的质量流量，即恒定密度模式。对于恒定密度模式，维持循环氮气密度恒定，循环氮气压力随温度高低而增大或减小，氮气密度一般确定为2.5～6.25kg/m³。在恒定密度模式下运行时，提高循环氮气的密度可提高系统的换热能力，提高换热效率；在恒定压力模式运行时，低温下氮气密度更大，可大幅度降低风机的转速，从而减小摩擦热，节约液氮消耗量。

升温过程及高温段时，提高风机转速；降温过程及低温段时，降低风机转速。高低温循环过程中，控制系统根据循环模式不同，依据循环系统中温度或压力的变化自动调整高低温离心式风机转速，改变其体积流量，从而使系统维持确定的质量流量。

系统循环过程具体步骤如下：

步骤一：对于恒定压力模式，打开截止阀8，将压力调节装置10与气氮循环管路13连通，确定循环氮气压力，并维持循环氮气压力恒定。对于恒定密度模式，打开截止阀8，将压力调节装置10与气氮循环管路13连通，将系统充入一定压力/密度的循环氮气后关闭截止阀8，使循环系统密闭。

步骤二：当热沉1需要升温时，启动加热器3，循环氮气通过加热器3后温度升高，高温氮气进入不锈钢夹层式热沉与之进行热交换，使其温度升高，出不锈钢夹层式热沉的高温氮气直接进入高低温离心式风机进行循环。降温过程中，循环氮气通过板式换热器，与液氮冷源进行热交换后温度降低，低温氮气进入不锈钢夹层式热沉与之进行热交换，使不锈钢夹层式热沉温度降低，出不锈钢夹层式热沉的低温氮气的氮气直接进入高低温离心式风机进行循环。

该系统中还设有各类温度及压力传感器、各类阀、压力控制系统和温度控制系统，控制系统可实现对系统内所有自动阀门的控制，还可控制系统内氮气的流量、压力和温度。

本发明的调温系统在恒定密度模式下进行了运行，其中不锈钢夹层式热沉尺寸为氮气密度为6.25kg/m³，电加热器功率15kw，降温过程液氮供应量约200m³/h，-150℃稳定状态下液氮供应量约90m³/h，实现了热沉在-175℃～+150℃宽温区连续控温，热沉在150℃～-175℃区间的升降温速率约2～4℃/min，-150℃～+150℃温区内温度均匀性在±5℃内。系统造价低廉、热沉温度均匀性高，液氮消耗量小。

以上运行结果显示，该方案的气氮调温系统不仅流程简洁、维护简单、运行可靠，而且在宽温区范围热沉升降温速率及温度均匀性优良，节约液氮消耗，为环境模拟设备提供了一种新的温度控制途径。

惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。